BR112018069956B1 - Trocador de calor evaporativo para arrefecer ou condensar um fluido de processo - Google Patents

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Abstract

A presente invenção refere-se a um trocador de calor com tubos de forma multilobada ou de "amendoim" substituindo os tubos redondos ou elípticos convencionais. Os tubos têm uma seção transversal horizontal estreita e seção transversal vertical alta para permitir a multiplicação da área de superfície no mesmo volume de bobina, enquanto mantendo ou aumentando a área de passagem ao ar livre. Esta configuração permite que a bobina tenha um coeficiente de transferência de calor externo total muito maior do que uma bobina convencional, enquanto a forma do tubo permite o uso de material mais fino, reduzindo o peso e o custo do trocador de calor.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a trocadores de calor evapo- rativo por passagem de ar.
DESCRIÇÃO DO FUNDAMENTO
[002] É bem conhecido que os tubos elípticos funcionam bem pa ra trocadores de calor por evaporação. Aumentar a densidade do tubo do trocador de calor funciona bem para sistemas que não têm fluxo de ar sobre a serpentina, enquanto o aumento da área de superfície externa usando aletas estendidas funciona bem em sistemas que têm fluxo de ar sobre a serpentina. No entanto, ambos os métodos aumentam o peso da serpentina de trocador de calor e o consequente custo por trocador de calor comparado com os designs convencionais de serpentinas tubulares, uma vez que os tubos são obrigados a ter uma espessura de parede mínima para operar sob pressão interna sem se deformarem.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[003] Esta invenção serve para resolver o problema de aumento de peso e de custo com melhorias incrementais na capacidade, melhorando a capacidade térmica, enquanto diminui o custo para capacidade térmica equivalente com um formato e padrão de tubo especiais que aumentam a área superficial principal em contato com a corrente de ar, melhorando assim a capacidade térmica, diminuindo ao mesmo tempo a espessura dos tubos de trocadores de calor, diminuindo assim o custo para capacidade térmica equivalente. O diâmetro efetivo do tubo é reduzido pelo design da invenção, o que permite que a parede do tubo seja reduzida na espessura para a mesma pressão inter- na. A razão da área da face ao ar livre para a área da face do tubo determina, em grande medida, a eficácia do trocador de calor. Se esta razão for muito baixa, o trocador de calor terá uma queda de pressão indesejável no lado do ar, diminuindo sua eficiência em um trocador de calor evaporativo. Este efeito é mais pronunciado em trocadores de calor evaporativos do que em um trocador de calor de ar seco devido à interação água - ar. O formato e o padrão do tubo da invenção servem para manter esta razão igual ou inferior aos trocadores de calor convencionais do mesmo volume (isto é, volume da serpentina, isto é, o volume definido pelas dimensões externas da serpentina, LxWxH) enquanto aumenta a área de superfície das serpentinas. A combinação de aumentar a área da superfície da serpentina, reduzir a espessura da parede do tubo e manter ou diminuir a queda de pressão no lado do ar usando o novo design de tubo da invenção serve para criar um trocador de calor com eficiência térmica e eficácia de custo superiores.
[004] Por conseguinte, é provido, de acordo com várias modali dades da invenção, tubos multilobados, que podem ser utilizados em vez de tubos de forma redonda ou elíptica, de trocadores de calor da técnica anterior. Esses tubos multilobados são altos e estreitos em seção transversal vertical. Os tubos multilobados podem ter 2, 3, 4 ou mais lóbulos por tubo. A forma multilobada permite que os tubos tenham um perfil de face de ar menor e uma parede mais fina, mantendo o limite de pressão de trabalho e a área de superfície externa por tubo. O perfil estreito de face de ar também permite que muito mais tubos existam no mesmo volume de trocador de calor, mantendo ou diminuindo razão da área da face ao ar livre para a área da face do tubo para manter ou diminuir a queda de pressão e manter ou aumentar o volume de ar por cavalo. Os trocadores de calor que têm o design de tubo da presente invenção funcionarão igualmente bem como refrigeradores de fluido ou condensadores de refrigerante.
[005] Por conseguinte, apresenta-se de acordo com uma moda lidade da invenção uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar que possui tubos multilobados que têm a mesma ou maior área de superfície de uma serpentina de trocador de calor do mesmo tamanho / volume com tubos redondos ou elípticos convencionais.
[006] Por conseguinte, apresenta-se, de acordo com uma moda lidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar que possui tubos multilobados que utilizam paredes de tubo muito mais finas do que um tubo único convencional da mesma área de superfície externa.
[007] Por conseguinte, apresenta-se, de acordo com uma moda lidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com uma razão da área de face ao ar livre para a área de face de tubo equivalente ou superior a uma serpentina de trocador de calor convencional do mesmo tamanho / volume com tubos redondos ou elípticos convencionais.
[008] Por conseguinte, apresenta-se, de acordo com uma moda lidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com uma área de superfície do tubo significativamente maior do que uma serpentina de trocador de calor convencional do mesmo tamanho / volume com tubos redondos ou elípticos convencionais.
[009] Por conseguinte, apresenta-se, de acordo com uma moda lidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar compreendida por: uma pluralidade de tubos mul- tilobados dispostos em um feixe tubular.
[0010] É ainda apresentado, de acordo com uma modalidade da in venção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com um tubo multilobado que possui exatamente dois lóbulos.
[0011] É ainda apresentado, de acordo com uma modalidade da in venção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com tubos multilobados que possuem exatamente três lóbulos.
[0012] É ainda apresentado, de acordo com uma modalidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com tubos multilobados com 100 % a 300 % da área de superfície do tubo de uma serpentina com as mesmas dimensões externas com tubos elípticos de 2,159 cm (0,85 polegada).
[0013] É ainda apresentada, de acordo com uma modalidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com tubos multilobados com 25 % a 50 % da área de passagem ao ar livre de uma serpentina com as mesmas dimensões externas com tubos elípticos de 2,159 cm (0,85 polegada).
[0014] É ainda apresentado, de acordo com uma modalidade da invenção, uma serpentina de trocador de calor evaporativo por passagem de ar com tubos multilobados em que o eixo principal do tubo é inclinado 0 a 25 graus em relação à vertical.
[0015] É ainda apresentado, de acordo com uma modalidade da invenção, um trocador de calor por evaporação para arrefecer ou condensar um fluido de processo, compreendendo: uma seção de troca de calor indireta; um sistema de distribuição de água localizado acima da seção de troca de calor indireta e configurado para pulverizar água sobre a seção de troca de calor indireta; em que a seção de troca de calor indireta compreende um cabeçote de entrada de fluido de processo e um cabeçote de saída de fluido de processo, e um arranjo de tubos multilobados conectando o referido cabeçote de entrada e o referido cabeçote de saída, os referidos outros tubos possuindo comprimentos que se estendem ao longo de um eixo longitudinal; o trocador de calor evaporativo inclui também uma câmara (plenum) onde a água distribuída pelo referido sistema de distribuição de água e tendo rece- bido calor da referida seção indireta é arrefecida por contato direto com o ar que se move através da referida câmara; um sistema de re- circulação de água, incluindo a bomba e os canos, configurado para levar a água a ser coletada no fundo da referida câmara e entregá-la ao referido sistema de distribuição de água; e um movedor (mover) de ar configurado para mover o ar ambiente para dentro da referida câmara e para cima através da referida seção indireta.
[0016] É ainda apresentado, de acordo com uma modalidade da invenção, um feixe de tubos de troca de calor em que os tubos multilo- bados são retos e estão conectados cada um em uma primeira extremidade a um cabeçote de entrada de fluido de processo e em uma segunda extremidade a um cabeçote de saída de fluido de processo.
[0017] É ainda apresentada, de acordo com uma modalidade da invenção, um feixe tubular de troca de calor no qual os tubos multilo- bados são de serpentina e cada tubo de serpentina compreende uma pluralidade de comprimentos conectados em cada extremidade a comprimentos adjacentes do mesmo tubo de serpentina por curvaturas de tubo e conectados em uma extremidade de um tubo de serpentina a um cabeçote de entrada de fluido de processo e em uma segunda extremidade a um cabeçote de saída de fluido de processo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0018] A descrição a seguir das modalidades preferidas da presen te invenção refere-se aos desenhos anexos, em que:
[0019] A figura 1 é uma vista lateral em corte de um trocador de calor evaporativo da técnica anterior.
[0020] A figura 2 é uma vista em perspectiva em corte de um tro cador de calor evaporativo da técnica anterior.
[0021] A figura 3 mostra uma vista em perspectiva externa de um tubo de trocador de calor evaporativo elíptico convencional da técnica anterior.
[0022] A figura 4 mostra uma vista em corte transversal do tubo de trocador de calor elíptico evaporativo convencional da técnica anterior da figura 3.
[0023] A figura 5 é uma representação de uma vista em corte transversal de um feixe tubular de trocador de calor evaporativo convencional da técnica anterior possuindo tubos elípticos.
[0024] A figura 6 é outra representação de uma vista em corte transversal de um feixe tubular de trocador de calor evaporativo convencional da técnica anterior possuindo tubos elípticos.
[0025] A figura 7 é uma representação gráfica da área de face ao ar livre para a área da face do tubo para um feixe tubular de trocador de calor evaporativo convencional da técnica anterior possuindo tubos elípticos.
[0026] A figura 8 mostra uma vista em corte transversal de um tu bo de troca de calor em forma de "amendoim (peanut)" ou de 2 lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção.
[0027] A figura 9 mostra uma vista em perspectiva externa de um tubo de troca de calor em forma de "amendoim" ou de 2 lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção.
[0028] A figura 10 é uma representação de uma vista em corte transversal de um feixe tubular de trocador de calor evaporativo com tubos de troca de calor em forma de "amendoim" ou de 2 lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção.
[0029] A figura 11a é outra representação de uma vista em corte transversal de um feixe tubular de trocador de calor evaporativo com tubos de troca de calor em forma de "amendoim" ou de 2 lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção.
[0030] A figura 11b é outra representação de uma vista em corte transversal de um feixe tubular de trocador de calor evaporativo com tubos de troca de calor em forma de "amendoim" ou de 2 lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção.
[0031] A figura 12 mostra uma representação gráfica da área de face ao ar livre para área de face de tubo para um feixe tubular de trocador de calor evaporativo com tubos de troca de calor em forma de "amendoim" ou 2 lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção.
[0032] A figura 13 mostra várias configurações de unidades de tu bos de troca de calor de multitubos e tubos do tipo "amendoim" de acordo com outras modalidades alternativas da invenção.
[0033] A figura 14 mostra o efeito da densificação de uma serpen tina usando tubos mais estreitos do mesmo diâmetro e espessura.
[0034] A figura 15 mostra a relação entre a largura do tubo e a es pessura exigida do tubo de aço para pressão de trabalho equivalente para tubos redondos e "esmagados" de diâmetro de 2,667 cm (1,05") versus tubos em forma de amendoim com 25 % mais área de superfície externa.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0035] As figuras 1 e 2 mostram um arrefecedor evaporativo de célula única de arrasto induzido de acordo com a técnica anterior. A ventoinha 101 puxa o ar para dentro da unidade e a força para fora da parte superior da unidade. Por baixo da ventoinha encontra-se um sistema de distribuição de água 103 que distribui água sobre a serpentina de tubo 105. A serpentina de tubo é feita de um arranjo de tubos elípticos de serpentina 107. Cada comprimento do tubo 109 está conectado nas suas extremidades a um comprimento de tubo superior e / ou inferior adjacente por uma curvatura de tubo 111. O fluido de processo a ser arrefecido entra nos tubos através de um cabeçote de entrada 113 e sai dos tubos através de um cabeçote de saída 115. Abaixo da serpentina de tubo está a câmara 117, onde o ar entra na unidade e a água que é entregue à unidade através do sistema de distribuição de água 103 é arrefecido através de troca de calor direta com o ar, coleta- se no fundo e o recircula para o topo através do sistema de recircula- ção de água 119.
[0036] As figuras 3 e 4 mostram um tubo elíptico de trocador de calor evaporativo convencional 107 do tipo utilizado no trocador de calor da técnica anterior das figuras 1 e 2. Um fluido de trabalho tal como água, glicol ou amônia 15 está contido dentro da parede do tubo. 16. O ar cheio de gotas de água 17 flui em torno do tubo de baixo para cima. As figuras 5 e 6 mostram como uma pluralidade de tubos do tipo mostrado nas figuras 3 e 4 são tipicamente dispostos em um feixe tubular em um trocador de calor das figuras 1 e 2. Múltiplos tubos 18a, b, etc., estão geralmente dispostos em um ar cheio de gotas de água padronizado 19 para passar em torno dos tubos sob a força da gravidade. A razão da área da face ao ar livre 20 e a área da face do tubo para este arranjo é mostrada na figura 7, de acordo com o dimensionamento e espaçamento-padrão do tubo mostrado na figura 6. Tubos deste tipo são tipicamente formados a partir de tubulações redondas de 2,667 cm (1,05 polegada) de diâmetro com uma espessura de parede de tubo de 1,397 cm (0,055 polegada), que são depois mecanicamente "espremidos" em uma elipse com um diâmetro menor que 2,159 cm (0,850 polegada). A figura 7 mostra a representação gráfica da área de face ao ar livre 20 para a área de face de tubo 21 para um feixe tubular do tubo de trocador de calor evaporativo padrão com tubos elípticos possuindo uma largura de tubo de 2,159 cm (0,850 polegada). As figuras 8 e 9 mostram tubos em forma de "amendoim" de dois lóbulos de acordo com uma modalidade da invenção. Tal como acontece com os tubos da técnica anterior, o fluido de trabalho tal como água, glicol ou amônia 1 está contido dentro da parede do tubo 2. O ar cheio de gotas de água flui em torno do tubo de baixo para cima. De acordo com uma modalidade preferida, a altura do tubo é de 4,5466 cm (1,790 polegada), a largura do tubo na seção transversal mais larga de cada lóbulo é de 0,9525 cm (0,375 polegada). No entanto, estas dimensões não devem ser consideradas limitantes da invenção, como tubos multilobados de quaisquer dimensões podem ser utilizados de acordo com a invenção, incluindo alturas de tubo de 3,175 a 6,350 cm (1,250 a 2,500 polegadas) com seções transversais de lóbulo de 0,508 a 1,27 cm (0,200 a 0,500 polegada). A forma de corte transversal dos lóbulos pode variar de forma de lágrima a aproximadamente circular a circular. De acordo com uma modalidade preferida, as superfícies internas opostas dos tubos em conjunto são soldadas no aperto (pinch weld), isto é, onde as superfícies internas do tubo se encontram (aproximadamente no centro do tubo no caso de tubos de dois lóbulos). De acordo com várias modalidades, os tubos podem ser sem aletas ou com aletas. A largura da parede do tubo é preferivelmente de 1,397 cm (0,055 polegada), mas pode variar de 0,0127 a 0,01524 cm (0,005 a 0,06 polegada) ou superior. Em qualquer caso, as modalidades da invenção podem suportar pressões de trabalho de 300 psi a 400 psi e além.
[0037] As figuras 10, 11a e 11b mostram vistas em corte transver sal de feixes tubulares de trocador de calor evaporativo incluindo um arranjo de tubos em forma de "amendoim" ou com 2 lóbulos das figuras 8 e 9. De acordo com esta modalidade, o feixe tubular tem duas vezes a área de superfície do tubo externo principal de um feixe tubular de trocador de calor convencional (tubos redondos de 2,67 cm (1,05 polegada) ou tubos elípticos de 2,159 cm (0,85 polegada)) do mesmo volume (ou seja, volume da serpentina, isto é, o volume definido pelas dimensões externas da serpentina, LxWxH). Múltiplos tubos 4a, 4b, etc., são dispostos de acordo com o padrão mostrado para permitir que o ar cheio de gotas de água 5 passe ao redor dos tubos. De acordo com uma modalidade preferida, o espaçamento entre linhas adjacentes verticais de tubos (medido de centro a centro) é de 102 % a 106 % da altura do tubo, mais preferivelmente de 104 % da altura do tubo. O espaçamento preferido entre tubos adjacentes (medidos centro a centro) é de 305 % a 320 % da largura do lóbulo, mais preferivelmente 310 % a 312 % e mais preferencialmente 311 %.
[0038] A figura 12 mostra a representação gráfica da área de face ao ar livre 6 para a área da face de tubo 7 para um feixe tubular de trocador de calor evaporativo unitário em "amendoim" da presente invenção. A área de face ao ar livre é quase a mesma que para uma serpentina de troca de calor da técnica anterior com o mesmo volume, de modo que a mesma quantidade de ar possa fluir através da serpentina sem alterar o tamanho ou a potência da ventoinha. No entanto, uma serpentina de acordo com a presente invenção com tubos em forma de "amendoim" ou de dois lóbulos o tem duas vezes a área de superfície de tubo externa principal de um feixe tubular de trocador de calor evaporativo convencional com o mesmo volume.
[0039] A figura 13 mostra modalidades adicionais de tubos multilo- bados. De acordo com várias modalidades, os tubos lobados podem ter 2, 3, 4 ou mais lóbulos. E o eixo longitudinal do corte transversal do tubo pode ser inclinado de 0 a 25 graus da vertical.
[0040] A figura 14 mostra o efeito da densificação de uma serpen tina usando tubos progressivamente mais estreitos ou "esmagados" com o mesmo diâmetro e espessura, isto é, começando com tubos redondos de 2,667 cm (1,05 polegada) de diâmetro (pontos mais à direita no gráfico), a área total de superfície da serpentina, o custo, a capacidade térmica e o número de tubos foram examinados para uma serpentina de tubo com o mesmo volume / dimensões externas. O eixo inferior reflete a largura decrescente do tubo, da direita para a esquerda, pois os tubos de 2,667 cm (1,05 polegada) com espessura de parede de 1,397 cm (0,055 polegada) são comprimidos em tubos cada vez mais elípticos. O eixo da esquerda mostra a porcentagem da superfície da serpentina, custo, capacidade térmica ou número de tubos, em relação a uma serpentina contendo tubos elípticos padrão com uma largura de 2,159 cm (0,85 polegada). Este gráfico mostra que o custo é diretamente proporcional à capacidade térmica. O que não está refletido neste gráfico é que o limite de pressão de trabalho das serpentinas diminui drasticamente à medida que o tubo é esmagado mais e mais, vide a figura 15.
[0041] A figura 15 mostra a relação entre a largura do perfil da uni dade de tubo e a espessura de tubo de aço requerida para pressão de trabalho equivalente para tubos redondos e "esmagados" de 2,667 cm (1,05 polegada) de diâmetro versus tubos de amendoim com 25 % a mais de área externa. O eixo inferior mostra a largura do tubo, começando no extremo direito de 3,048 cm (1,2 polegada). O eixo esquerdo mostra a espessura de parede do tubo necessária para operação segura a 300 psi de pressão de trabalho A linha que se estende do quadrante inferior direito do gráfico para o canto superior esquerdo mostra como a espessura do tubo necessária para operação a 300 psi vai de aproximadamente 0,0381 cm (0,015 polegada) para um tubo redondo de 2,667 cm (1,05 polegada), para aproximadamente 1,397 cm (0,055 po-legada) para um tubo elíptico esmagado de 2,667 cm (1,05 polegada) a 2,159 cm (0,85 polegada), para aproximadamente 0,2032 cm (0,080 polegada) para um tubo elíptico esmagado de 2,667 cm (1,05 polegada) a 0,635 cm (0,25 polegada). Em suma, esta linha mostra que, conforme um tubo de 2,667 cm (1,05 polegada) é esmagado (a fim de, por exemplo, encaixar mais tubos em uma serpentina), a espessura da parede do tubo necessária para manter a pressão de trabalho de 300 psi aumenta dramaticamente, aumentando assim o peso e os custos de material e fabricação. No entanto, a figura 15 também mostra, surpreendentemente, que os tubos em forma de amendoim de dois e três lóbulos da presente invenção têm requisitos de espessura de parede do tubo inesperados e significativamente inferiores, a fim de operar a uma pressão de trabalho de 300 psi. Por exemplo, um tubo de dois lóbulos com uma altura de 4,3688 cm (1,72 polegada) requer uma espessura de parede do tubo de apenas 0,12192 cm (0,048 polegada), que é inferior à espessura da parede do tubo de 1,397 cm (0,055 polegada) de tubos elípticos de 2,159 (0,85 polegada) da técnica anterior. Um tubo de dois lóbulos com uma altura de 3,8354 cm (1,51 polegada) requer uma espessura de parede de apenas 0,9144 (0,036 polegada) para operação segura a uma pressão de trabalho de 300 psi, e um tubo de três lóbulos de 4,3688 cm (1,72 polegada) requer uma espessura de parede de apenas 0,0127 (0,005 polegada) para operar com segurança a uma pressão de trabalho de 300 psi.

Claims (8)

1. Trocador de calor evaporativo para arrefecer ou condensar um fluido de processo, caracterizado pelo fato de que compreende: uma seção de troca de calor indireta; um sistema de distribuição de água localizado acima da seção de troca de calor indireta e configurado para pulverizar água sobre a seção de troca de calor indireta; a seção de troca de calor indireta compreendendo um cabeçote de entrada de fluido de processo e um cabeçote de saída de fluido de processo, e um arranjo de tubos multilobados que conectam o referido cabeçote de entrada e o referido cabeçote de saída; uma câmara onde a água distribuída pelo referido sistema de distribuição de água e tendo recebido calor da referida seção indireta é arrefecida por contato direto com o ar que se move através da referida câmara; um sistema de recirculação de água, incluindo bomba e tubos, configurado para levar a água a ser coletada no fundo da referida câmara e entregar a referida coleta de água no fundo do referido plenum ao referido sistema de distribuição de água; um movedor de ar configurado para mover o ar ambiente para dentro da referida câmara e para cima através da referida seção indireta, em que os lóbulos dos referidos tubos com múltiplos lóbulos são separados um do outro por uma solda de aperto (pinch weld), onde as superfícies internas do tubo opostas se encontram.
2. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos multilobados têm exatamente dois lóbulos.
3. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos multilobados têm exatamente três lóbulos.
4. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o eixo principal dos tubos multilobados é inclinado de 0 a 25 graus em relação à vertical.
5. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a câmara contém enchimento.
6. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos tubos são aletados.
7. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que e os referidos tubos têm alturas de tubo de 3,175 a 6,350 cm (1,250 a 2,500 polegadas) com seções de largura de lóbulo de 0,508 a 1,27 cm (0,200 a 0,500 polegada) e largura de parede do tubo de 0,0127 a 0,1397 cm (0,005 a 0,055 polegada) e em que os referidos tubos podem suportar pressões de trabalho de 300 psi.
8. Trocador de calor evaporativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos apresentam alturas de tubo de 4,546 cm (1,790 polegada), uma largura de tubo a uma seção transversal mais larga de cada lóbulo de 0,952 cm (0,375 polegada) e uma largura de parede do tubo de 0,1397 cm (0,055 polegada) e em que os referidos tubos podem suportar pressões de trabalho de 300 psi.
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